موتورهای مولکولی طبیعی، مانند پروتئین‌هایی که درون سلول‌ها مواد مختلف را جابه‌جا می‌کنند، نمونه‌هایی از سامانه‌های حرکتی بسیار کارآمد در مقیاس نانو هستند. ساخت نمونه‌های مصنوعی با قابلیت حرکت کنترل‌شده در این ابعاد، یکی از مسیرهای توسعه ماشین‌های مولکولی است؛ سامانه‌هایی که در آینده می‌توانند در حسگرها، پردازش اطلاعات و فناوری‌های مبتنی بر دست‌کاری مواد در مقیاس مولکولی کاربرد داشته باشند.
یکی از خانواده‌های این سامانه‌ها، موتورهای مبتنی بر ذرات نانو و میکرو با پوشش DNA هستند. این موتورها تاکنون به سرعتی در حدود ۳۰ نانومتر بر ثانیه رسیده‌اند و در میان موتورهای مولکولی مصنوعی، عملکرد قابل‌توجهی دارند. بااین‌حال، سرعت آن‌ها همچنان از بسیاری از پروتئین‌های حرکتی طبیعی که می‌توانند با سرعت تقریبی ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ نانومتر بر ثانیه حرکت کنند، کمتر است.
پژوهشگران مؤسسه علوم مولکولی ژاپن (Institute for Molecular Science) و دانشگاه تحصیلات تکمیلی سوکِندای (SOKENDAI) برای بررسی راه‌های بهبود عملکرد این موتورها، مجموعه‌ای از شبیه‌سازی‌های سینتیکی مبتنی بر هندسه انجام داده‌اند. هدف آن‌ها شناسایی عواملی بود که سرعت حرکت، مسافت پیموده‌شده بدون توقف یا جداشدن و حفظ جهت حرکت این موتورها را تعیین می‌کنند. نتایج این مطالعه در مجله Biophysical Journal منتشر شده است.
سازوکار حرکت این موتورها بر پدیده‌ای موسوم به «چرخ‌دنده براونی پل سوخته» (Burnt-Bridge Brownian Ratchet) استوار است. برای درک این سازوکار، باید توجه داشت که ذرات در مقیاس بسیار کوچک به‌طور طبیعی حرکت‌های تصادفی و پیوسته‌ای دارند که به آن‌ها حرکت براونی گفته می‌شود. در طراحی این موتور، حرکت تصادفی ذره با استفاده از واکنش‌های مولکولی به حرکتی جهت‌دار تبدیل می‌شود.
در این سامانه، سطح زیرین با رشته‌های RNA پوشیده شده و روی ذره نیز رشته‌های تک‌رشته‌ای DNA قرار دارند. زمانی که ذره به سطح نزدیک می‌شود، رشته‌های DNA با رشته‌های مکمل RNA پیوند برقرار می‌کنند و ساختارهای دورشته‌ای DNA/RNA تشکیل می‌شوند. سپس آنزیمی به نام RNase H، بخش RNA متصل به DNA را تجزیه می‌کند.
پس از تخریب RNA، جایگاه اتصال قبلی از بین می‌رود و دیگر نمی‌تواند مانند یک نقطه اتکا برای بازگشت ذره عمل کند. در نتیجه، احتمال حرکت رو به عقب کاهش می‌یابد و حرکت‌های تصادفی براونی به‌تدریج به سمت بخش‌هایی از سطح که هنوز RNA سالم دارند، جهت‌دار می‌شوند. به بیان ساده، موتور با ایجاد و از بین بردن پی‌درپی نقاط اتصال، حرکت تصادفی را به جابه‌جایی در یک جهت تبدیل می‌کند.
پژوهش‌های آزمایشگاهی پیشین نشان داده بودند که اندازه ذره تأثیر غیرمنتظره‌ای بر سرعت این موتورها دارد. ذراتی با قطر ۱۰۰ تا ۵۰۰۰ نانومتر، با وجود تفاوت ۵۰ برابری در اندازه، سرعتی در حدود ۳۰ نانومتر بر ثانیه از خود نشان داده بودند. در عین حال، ذرات بزرگ‌تر می‌توانستند مسافت طولانی‌تری را طی کنند. این پرسش مطرح بود که چرا افزایش اندازه ذره، برخلاف انتظار، به افزایش چشمگیر سرعت منجر نمی‌شود.
تیم پژوهشی برای پاسخ به این پرسش، موتورهایی با قطرهای ۱۰۰، ۵۰۰، ۱۰۰۰ و ۵۰۰۰ نانومتر را در مدل‌های رایانه‌ای بررسی کرد. تحلیل حرکت‌های گام‌به‌گام نشان داد که ذرات بزرگ‌تر در هر حرکت جابه‌جایی بیشتری انجام می‌دهند، اما پیش از برداشتن گام بعدی نیز مدت‌زمان طولانی‌تری متوقف می‌مانند. این دو اثر تا حد زیادی یکدیگر را خنثی می‌کنند و به همین دلیل سرعت کلی موتور با تغییر اندازه ذره چندان تغییر نمی‌کند.
بااین‌حال، اندازه ذره بر دو ویژگی دیگر تأثیر قابل‌توجهی دارد: مسافت حرکت و جهت‌مندی. ذرات بزرگ‌تر می‌توانند تعداد بیشتری پیوند میان رشته‌های DNA خود و RNA سطح برقرار کنند. تعدد این پیوندها احتمال جداشدن کامل ذره از سطح را کاهش می‌دهد و به آن اجازه می‌دهد مسافت بیشتری را طی کند. همچنین، تخریب RNA در طول مسیر حرکت و اثر جمعی تعداد زیادی از پیوندهای DNA/RNA باعث می‌شود حرکت بعدی ذره با احتمال بیشتری در جهت رو به جلو انجام شود.
بنابراین، ذرات بزرگ‌تر اگرچه لزوماً سریع‌تر حرکت نمی‌کنند، در حفظ اتصال به سطح و ادامه حرکت در یک مسیر مشخص عملکرد بهتری دارند. این یافته نشان می‌دهد که طراحی موتورهای مولکولی فقط به افزایش سرعت محدود نمی‌شود و باید ویژگی‌هایی مانند پایداری حرکت و توانایی حفظ جهت نیز در نظر گرفته شوند.
بخش مهم دیگر پژوهش به بررسی نقش سرعت واکنش‌های زیست‌شیمیایی اختصاص داشت. محققان سه فرایند کلیدی را در مدل خود بررسی کردند: اتصال رشته‌های DNA و RNA، اتصال آنزیم RNase H و تجزیه RNA. نتایج نشان داد که برخلاف اندازه ذره، سرعت این واکنش‌ها می‌تواند تأثیر بسیار زیادی بر سرعت نهایی موتور داشته باشد.
در شبیه‌سازی‌ها، پژوهشگران نرخ هر سه واکنش را به‌صورت جداگانه در مدل افزایش دادند و در شرایطی که سرعت هر سه فرایند ده برابر شد، سرعت پیش‌بینی‌شده موتور از ۲۰۰ نانومتر بر ثانیه فراتر رفت. این مقدار بیش از هفت برابر سرعت معمول گزارش‌شده برای این موتورهاست و آن‌ها را به محدوده سرعت برخی پروتئین‌های حرکتی طبیعی نزدیک می‌کند.
البته افزایش سرعت واکنش‌ها در مدل، به‌معنای دستیابی تجربی به چنین سرعتی نیست. این نتیجه نشان می‌دهد که از دیدگاه نظری، محدودیت اصلی سرعت این موتورها تا حد زیادی به سینتیک واکنش‌های مولکولی وابسته است و با بهینه‌سازی این واکنش‌ها می‌توان عملکرد آن‌ها را بهبود داد.
شبیه‌سازی‌ها همچنین نشان دادند که در شرایط واکنش‌های سریع‌تر، محدودیت دیگری برای ذرات بزرگ آشکار می‌شود. این ذرات به دلیل کندی انتشار چرخشی، یعنی زمان بیشتری که برای تغییر جهت‌گیری خود نیاز دارند، در برخی شرایط نمی‌توانند به‌سرعت با موقعیت‌های جدید روی سطح هماهنگ شوند. در نتیجه، افزایش سرعت واکنش‌ها الزاماً برای همه اندازه‌های ذره به یک اندازه سودمند نیست و ذرات کوچک‌تر ظرفیت بیشتری برای افزایش سرعت دارند.
این یافته‌ها مجموعه‌ای از اصول طراحی برای ساخت موتورهای مولکولی کارآمدتر ارائه می‌کنند. بر اساس نتایج مدل، اگر هدف افزایش سرعت باشد، بهبود سینتیک واکنش‌های DNA و RNA و استفاده از ذرات کوچک‌تر اهمیت دارد؛ اما اگر مسافت حرکت طولانی‌تر و حفظ جهت حرکت اولویت داشته باشد، ذرات بزرگ‌تر می‌توانند گزینه مناسب‌تری باشند.
موتورهای مولکولی مصنوعی در آینده ممکن است به‌عنوان محرک در ماشین‌های مولکولی یا اجزای سامانه‌های حسگری و پردازش اطلاعات به کار گرفته شوند. بااین‌حال، تبدیل نتایج شبیه‌سازی به یک فناوری کاربردی مستلزم آزمون‌های تجربی، کنترل دقیق واکنش‌های آنزیمی و بررسی عملکرد این موتورها در محیط‌های پیچیده‌تر است. ارزش اصلی این پژوهش در آن است که نشان می‌دهد برای ساخت موتورهای مولکولی سریع‌تر، صرفاً بزرگ‌تر یا کوچک‌ترکردن ذره کافی نیست؛ بلکه باید مجموعه واکنش‌هایی را که حرکت را ایجاد و هدایت می‌کنند، به‌دقت مهندسی کرد.